JP2022519702A - 処理チャンバを洗浄するための方法 - Google Patents

Abstract

本開示の実装形態は、概して、半導体処理チャンバを洗浄する方法に関する。一実装形態では、堆積チャンバを洗浄する方法には、堆積チャンバ内の処理領域中に窒素含有ガスを流すことと、高周波電力を利用して処理領域中のプラズマを衝突させることと、堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に洗浄ガスを導入することと、遠隔プラズマ源中の洗浄ガスの反応種を生成することと、堆積チャンバ中に洗浄ガスを導入することと、異なるエッチング速度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することとが含まれる。【選択図】図２

Description

本明細書で開示される実装形態は、概して、半導体処理チャンバを洗浄するための方法に関する。

集積回路及び半導体デバイスの製造において、材料は、典型的には、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバのような堆積チャンバなどの処理チャンバ中の基板上に堆積される。堆積プロセスは、典型的には、ガス分布シャワーヘッド並びに堆積チャンバの壁及び部品上にいくらかの材料の堆積をもたらす。チャンバ壁及び部品上に堆積された材料は、基板間の堆積速度及び基板上の堆積の均一性に影響を及ぼす可能性がある。この誤った堆積により、チャンバが洗浄されていない限り、再現性を達成するのは困難であることが多い。

したがって、チャンバを洗浄する改善された方法が必要である。

本開示の実装形態は、概して、半導体処理チャンバを洗浄する方法に関する。一実装形態では、堆積チャンバを洗浄する方法には、堆積チャンバ内の処理領域中に窒素含有ガスを流すことと、高周波電力を利用して処理領域中のプラズマを衝突させることと、堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に洗浄ガスを導入することと、遠隔プラズマ源中の洗浄ガスの反応種を生成することと、堆積チャンバ中に洗浄ガスを導入することと、異なるエッチング速度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することとが含まれる。

別の実装形態では、堆積チャンバを洗浄する方法には、堆積チャンバ内の処理領域中に窒素含有ガスを流すことと、高周波電力を利用して処理領域中のプラズマを衝突させることと、堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に洗浄ガスを導入することと、遠隔プラズマ源中の洗浄ガスの反応種を生成することと、堆積チャンバ中に洗浄ガスを導入することと、異なる温度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することとが含まれる。

別の実装形態では、堆積チャンバを洗浄する方法には、堆積チャンバ内の処理領域中に第１のガスを流すことと、高周波電力を利用して処理領域中の第１のガスのプラズマを衝突させることと、堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に第２のガスを導入することと、遠隔プラズマ源中の第２のガスの反応種を生成することと、堆積チャンバ中に第２のガスを導入することと、異なる温度及びエッチング速度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することとが含まれる。

本開示の上述の特徴が詳細に理解されるように、上記で簡潔に要約された本開示のより具体的な説明は、実装形態を参照することによって行われ得る。その一部は添付の図面に示されている。しかし、本開示は他の等しく有効な実装形態も許容し得るため、付随する図面は、この開示の典型的な実装形態のみを示しており、したがって、本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに、留意されたい。

プラズマシステムの一実装形態の部分断面図である。 異なる電極間隔での洗浄速度を比較するグラフである。

理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実装形態の要素及び特徴は、さらなる記載がなくとも、他の実装形態に有益に組み込まれ得ると想定される。

本開示は、概して、集積回路及び半導体デバイスの製造に使用される堆積チャンバなどの堆積チャンバを洗浄するための方法及び装置を提供する。本明細書に記載される方法を使用して洗浄され得る堆積チャンバには、炭素がドープされた酸化ケイ素などの酸化物、及び他の材料を堆積するために使用され得るチャンバが含まれる。一実装形態では、プラズマチャンバは、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）システムで利用される。本明細書に記載される実装形態から利益を受けるように適合され得るＰＥＣＶＤシステムの例には、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＳＥ ＣＶＤシステム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＧＴ^ＴＭＣＶＤシステム、又はＤＸＺ（登録商標）ＣＶＤシステムが含まれ、これらすべてはカリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．，から市販されている。Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＳＥ ＣＶＤシステム（例えば、２００ｍｍ又は３００ｍｍ）は、導電性膜、シラン、炭素ドープされた酸化ケイ素酸化ケイ素及び他の材料などの薄膜を基板上に堆積させるために使用され得る、２つの分離した処理領域を有する。例示的な実装形態は２つの処理領域を含むが、本明細書に記載された実装形態は、単一の処理領域又は２を上回る処理領域を有するシステムで利益をもたらすために使用され得ると考えられる。本明細書に記載される実装形態は、数ある中でも、エッチングチャンバ、イオン注入チャンバ、プラズマ処理チャンバを含む他のプラズマチャンバ、及び剥離チャンバで利益をもたらすために利用され得るとも考えられる。さらに、本明細書に記載される実装形態は、他の製造業者から入手可能なプラズマ処理チャンバで利益をもたらすために利用され得ると考えられる。

利益をもたらすために使用され得るチャンバの例を図１に示す。図１は、２つの別個の処理チャンバ１０５を有するツインチャンバシステム１００の断面図を示す。処理チャンバ１０５のそれぞれは、遠隔プラズマ源１１０に接続されている。遠隔プラズマ源１１０は、処理チャンバ１０５の内部に流れる洗浄ガスの反応種を生成する。処理チャンバ１０５のそれぞれは、シャワーヘッド又は穿孔面板１１５も有する。処理チャンバ１０５のそれぞれは、ガス源１２０に連結されている。それぞれの穿孔面板１１５は、処理ガス、又は前駆体、又は洗浄ガスを、ガス源１２０から処理チャンバ１０５のそれぞれにある各処理領域１３０及び１３５へ送達するためにそれを通して形成された開口部１２５を含む。

遠隔プラズマ源１１０は処理チャンバ１０５の上部に連結して示されているが、その中で生成された反応種は、処理チャンバ１０５の上部、処理チャンバ１０５の側部、又は別の位置を通って処理チャンバ１０５へ流れ得る。

穿孔面板１１５のそれぞれは、電源１４０に連結されている。電源１４０は、処理領域１３０及び１３５のそれぞれにある穿孔面板１１５と加熱ペデスタル１４５との間にプラズマを生成するよう構成されている。加熱ペデスタル１４５はまた、基板（図示せず）を静電チャックするよう構成されている。電源１４０は、直流電源であっても、高周波（ＲＦ）電源などの交流電源であってもよい。プラズマは、ガス源１２０から処理ガス及び洗浄ガスなどのガスを解離するために利用される。

処理領域１３０及び１３５のそれぞれは、ポンプ１５０に連結されている。ポンプ１５０は、処理チャンバ１０５から未使用のガス及び／又は副生成物を除去するために利用される真空ポンプである。ポンプ１５０は、処理チャンバ１０５中の圧力を制御するために利用されるスロットルバルブ（図示せず）などのバルブを含む。

動作中、処理ガス又は前駆体は、ガス源１２０から処理領域１３０及び１３５へ供給される。処理ガス又は前駆体は、穿孔面板１１５中の開口部１２５を通って流れる。処理ガス又は前駆体のプラズマは、電源１４０によって処理領域１３０及び１３５のそれぞれに形成される。プラズマは、処理領域１３０及び１３５のそれぞれにある加熱ペデスタル１４５によって支持されている基板（図示せず）上に膜を形成するか、又は該基板から膜をエッチングする。

処理チャンバ１０５のそれぞれにある基板上への膜形成、又は該基板のエッチングの多くのサイクルの後、処理チャンバ１０５の内部が洗浄される。チャンバ洗浄プロセス（別名「剥離」プロセス）は、半導体製造における膜堆積を改善する。チャンバ洗浄プロセスは、チャンバの健全性及び基板上プロセスの安定性を制御する。半導体デバイスはより高いメモリ密度、したがってより厚いマルチスタック構造（すなわち、３Ｄ ＶＮＡＮＤ、３Ｄ ＲｅＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＮＡＮＤ、ロジック及びファウンドリ）を利用するため、最短時間でチャンバを完全に洗浄する能力は、スループットを向上させる。現在の洗浄プロセス内では、高いアスペクト比の要件を満たすように膜厚がスケーリングされると、洗浄時間も同様に増加する。例えば、ハードマスクの厚さが２倍に増加すると、処理時間は以前の生成デバイスの２分の１になり、１時間あたりで製造ツール毎に同じスループットを満たすと予測される。

摂氏約４００度超の温度で炭素ハードマスクを使用する化学気相堆積（ＣＶＤ）は、半導体デバイス製造について最も普及しているハードマスクプロセスのうちの一つである。これは、マスクの高いエッチング選択性及び洗浄プロセスの化学的単純性によるものである。比較的高いエッチング選択性及び堆積の容易さにより、最大約１０ミクロン（μｍ）の炭素膜がハードマスクとして使用される。しかしながら、次世代のデバイスはより厚いマルチスタック構造を利用するため、スループット向上させる必要がある。例えば、炭素系ハードマスク（Ｃ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｆの単一部品又は多数の部品）が挙げられる。

半導体デバイスの処理が進むにつれて、チャンバの洗浄速度が全体的な生産のためのボトルネックをもたらし得ると考えられる。さらに、チャンバの洗浄不足は、時間の経過とともにチャンバ内に蓄積された残留物を引き起こし、さらに、ハードウェア部品を損傷するか又はそれらのハードウェア部品を再生する能力を制限する可能性がある。

従来、ＲＦ洗浄は、高温（摂氏約４００度超）で利用される。フッ素に基づく化学物質を使用する遠隔プラズマ（ＲＰＳ）洗浄プロセスは実行可能なオプションではないが、これは、ＲＰＳ洗浄がＲＦ洗浄プロセスと比較してわずかに高いエッチング速度を有するが、ＡｌＦ_ｘ粒子が形成されるためである。さらに、現在のアルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ_２）に基づくＲＦ洗浄化学物質は、穿孔面板１１５の開口部１２５で形成されたアルミニウムオキシカーバイド（ＡｌＯ_ｘ）を除去することができない。さらに、Ｏ_２含有化学物質を使用するＲＦ洗浄は数多くの困難をもたらし、その一つは、より大きな間隔での比較的不安定なプラズマによる不十分なチャンバ下部の洗浄である（例えば、加熱ペデスタル１４５と穿孔面板１１５との間の処理領域１３０及び１３５のサイズ）。

さらに、穿孔面板１１５の開口部１２５でのＡｌＯ_ｘの形成は、穿孔面板１１５の放射率を変化させる。放射率の変化は、時間の経過とともにプロセスドリフトを引き起こし、且つ／又は基板間の再現性に影響を与える。

本明細書に開示される実施態様によれば、マルチソースプラズマ洗浄法が提供される。本明細書に記載されるようなマルチソースプラズマ洗浄法は、従来の洗浄方法と比較して、チャンバ部品を効率的に洗浄しながら、スループットを劇的に向上させる。

試験を通して、フッ素に基づくＲＰＳ洗浄は、一般に、ＲＦ洗浄プロセス（たとえば、ｉｎ－ｓｉｔｕ生成プラズマ）のみよりも優れた洗浄効率を提供することが発見される。しかしながら、高電力ＲＦ洗浄プロセスは、チャンバの特定の領域でのＲＰＳ洗浄と比較して、同様の又はそれ以上の洗浄効率を提供する。本明細書に開示されるようなマルチソースプラズマ洗浄法は、ＲＦ洗浄とＲＰＳ洗浄を組み合わせて、優れた結果をもたらす。

例えば、窒素／酸素（Ｎ_２／Ｏ_２）混合物を使用して、電源１４０を（穿孔面板１１５と加熱ペデスタル１４５との間で）使用して処理領域１３０及び１３５に適用されるＲＦ洗浄プロセスが、本明細書で提供される。Ｎ_２／Ｏ_２混合物は、約９９～５０％ Ｏ_２に対して約１～５０％ Ｎ_２である。Ｎ_２／Ｏ_２混合物は、約５Ｌから約２５Ｌ（ｓｌｍ）の流量で提供される。チャンバ中の圧力は、約２Ｔｏｒｒから約１５Ｔｏｒｒである。ＲＦ電力は約１０００Ｗから約５０００Ｗであり、これは、摂氏約４００度超の処理領域１３０及び１３５の温度を提供する。

上に記載されたＲＦ洗浄プロセスと併せたＲＰＳ洗浄プロセスが本明細書で提供される。ＲＰＳ洗浄プロセスは、遠隔プラズマ源１１０を使用して、処理チャンバ１０５の下部を洗浄する。例えば、処理チャンバ１０５の側壁１６０は、三フッ化窒素／酸素（ＮＦ_３／Ｏ_２）混合物を使用するＲＰＳ洗浄プロセスを用いて洗浄される。側壁１６０は、典型的には、処理領域１３０及び１３５に隣接する処理チャンバ１０５の部品よりもはるかに低温である。例えば、処理領域１３０及び１３５の温度は、約４００又はそれ以上であるのに対して、側壁は少なくとも摂氏１００度低い。ＮＦ_３／Ｏ_２混合物は、処理チャンバ１０５に連結されている洗浄ガス源１６５によって提供される。ＮＦ_３／Ｏ_２混合物は、遠隔プラズマ源１１０でプラズマ中に励起され、この励起状態で処理チャンバ１０５に提供される。ＮＦ_３／Ｏ_２混合物は、約９９～５０％ Ｏ_２に対して約１～５０％ ＮＦ_３である。ＮＦ_３／Ｏ_２混合物は、約５Ｌから約２５Ｌ（ｓｌｍ）の流量で提供される。チャンバ中の圧力は、約２Ｔｏｒｒから約１５Ｔｏｒｒである。ＲＰＳ洗浄プロセスは、ＲＦ洗浄プロセスと同時に提供されてもよく、又は、ＲＰＳ洗浄プロセスは、ＲＦ洗浄プロセスのすぐ後に提供される。例えば、ＲＦ洗浄プロセスの後にチャンバが真空にされ、パージされた後に、ＲＰＳ洗浄プロセスが実施される。

ＲＦ洗浄プロセスは、穿孔面板１１５の開口部１２５並びに処理領域１３０及び１３５に隣接する処理チャンバ１０５の他の部分を洗浄するために利用される。ＲＦ洗浄プロセスは、非常に迅速で効率的であり、穿孔面板１１５中又はその上の局所的なＡｌＯ_ｘ形成を除去する。例えば、穿孔面板１１５の開口部１２５は、円錐形であり、開口部１２５に隣接して低圧ゾーンを導入する。従来のアルゴンに基づく堆積プロセスは、この低圧領域にマイクロアーキングを導入する。酸化アルミニウム穿孔面板１１５上の炭素膜は、アルミニウムオキシカーバイドに変換する。このアルミニウムオキシカーバイドは、非常に困難であり、Ａｒ／Ｏ_２ ＲＦ洗浄化学物質によって除去不可能でさえある。しかしながら、Ｎ_２／Ｏ_２洗浄化学物質を使用することにより、アルミニウムオキシカーバイドは完全に除去される。その後、簡潔なＲＰＳ洗浄によって、非常に高い洗浄効率でチャンバの残りが洗浄されることになる。さらに、ＲＦ洗浄と共にＮ_２／Ｏ_２を使用することは、上に記載されたマイクロアーキングにより穿孔面板１１５の開口部１２５で形成された残留物に対する優れた解決策を提供する。Ｎ_２／Ｏ_２ ＲＦ洗浄は、経時的な放射率の変化によるプロセスドリフトの効果的な制御メカニズム、及び加熱ペデスタル１４５上の基板の基板スライド／静電チャッキング安定性のための制御メカニズムも提供する。

図２は、異なる電極間隔（穿孔面板１１５と加熱ペデスタル１４５との間の距離）での洗浄速度の差を示すグラフ２００である。曲線２０５は、本明細書に記載されるＮ_２／Ｏ_２ ＲＦ洗浄のパフォーマンスを示す。Ｎ_２／Ｏ_２ ＲＦ洗浄方法を本明細書に記載されるＮＦ_３／Ｏ_２ ＲＰＳ洗浄方法と比較する（曲線２１０で示す）。ＲＦ洗浄は、チャンバの上部（処理領域１３０及び１３５の近く）でＲＰＳ洗浄（エッチング）速度と同等の洗浄（エッチング）速度を有する。しかしながら、間隔が増加するにつれて、Ｎ_２／Ｏ_２洗浄速度は劇的に低下する。

対照的に、ＮＦ_３／Ｏ_２ ＲＰＳ洗浄方法は、チャンバの下部においてさえも、劇的に低下することはない。チャンバの下部でのＮＦ_３／Ｏ_２ ＲＰＳの洗浄速度は、Ｎ_２／Ｏ_２ ＲＦ洗浄レジームの洗浄速度と比較して約６倍大きい。さらに、ＲＰＳから導入されたＮＦ_３／Ｏ_２は、処理領域１３０及び１３５より下のチャンバを主に洗浄するため、遠隔プラズマ源１１０のオン時間は最小限に抑えられる。これはまた、チャンバ内部に提供されたフッ素の減少によるチャンバ側壁１６０上でのＡｌＦ_ｘ形成を最小限に抑える。さらに、チャンバ部品上での任意のＡｌＦ_ｘ形成は、処理されている基板上に位置するのではなく、ポンプ１５０によって除去することができるチャンバの下部に位置する。

高ＲＦ電力の増加（約２倍の増加）により、本明細書に記載されるマルチソースプラズマ洗浄方法は、洗浄効率は印加されたＲＦ電力とほぼ相関しているが、間隔が大きくなると、洗浄効率は劇的に低下することを、実証している。

多くの製造プロセスにおいて、堆積後の洗浄に続いて、チャンバ表面を調整するためのチャンバーシーズニングプロセスが行われる。上に記載されるように、窒素－酸素ベースのＲＦプラズマは、窒化アルミニウムのアルミニウムオキシカーバイド表面パッシベーションを除去することになり、さらに、ポリマーＣ－Ｎ層を形成することに加えて窒化アルミニウム表面を回収することにより、ＡｌＦ_ｘの形成を最小限に抑える。

ポリマーＣ－Ｎ層の存在は、多くの利点をもたらす。ポリマーＣ－Ｎ層の第１の利点は、加熱ペデスタル１４５（窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製）の摩擦係数の増加である。摩擦係数の増加は、基板のスライド、アーキングの誤検出事例の軽減、規格外フィルム内欠陥の発生、基板のチッピング及びハードウェア損傷、チャッキングの喪失、及び裏側のパンチスルーを減少させる。基板のスライドを軽減するための以前の方法は、予防保守として、又は規格外のパフォーマンスを回復するためのスタンドアロン処理を用いて、基板中心のエラーが減少することを実証した。Ｎ_２／Ｏ_２ ＲＦプラズマを使用して展開されたアプローチは、洗浄と並行して生じ、高品質の基板中心パフォーマンスを維持した。

Ｃ－Ｎ層の第２の利点は、フッ素ベースのＲＰＳ洗浄への曝露によるＡｌＦ_ｘの形成を最小限に抑えることである。Ｃ－Ｎはフッ素ベースのエッチングに非常に耐性があるため、Ｃ－Ｎ膜層の下のＡＩＮはフッ素ラジカルから保護されている。さらに、ＡｌＮは、ＲＦ洗浄中にＮ_２／Ｏ_２プラズマから積極的に持続され、ＡｌＦ_ｘの形成によるヒーターの損傷が軽減される。これは、５００を超える基板で安定した膜特性を示す再現性試験によって実証されている。再現性試験は、規格中の安定した堆積速度、均一性、及び膜特性、並びに欠陥の減少を示した。

本明細書に記載されるようなマルチソースプラズマ洗浄方法を利用して、摂氏約４００度超の温度での高スループットプロセスの首尾よい実装形態が提供される。本明細書に記載されるマルチソースプラズマ洗浄方法は、高ＲＦ電力及びＲＰＳ洗浄を伴う高スループット用に構成されたチャンバのための他の任意のプロセス（例えば、酸化物／窒化物／ドープ炭素プロセス）に適用することができる。本明細書に記載されるようなマルチソースプラズマ洗浄方法は、高スループットソリューションを提供することにより、強化された品質制御を提供する。

以上の記述は本開示の実装形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく本開示の他の実装形態及びさらなる実装形態が考案されてよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (15)

1. 堆積チャンバを洗浄する方法であって、
   堆積チャンバ内の処理領域中に窒素含有ガスを流すことと、
   高周波電力を利用して処理領域中のプラズマを衝突させることと、
   堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に洗浄ガスを導入することと、
   遠隔プラズマ源中の洗浄ガスの反応種を生成することと、
   堆積チャンバ中に洗浄ガスを導入することと、
   異なるエッチング速度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することと、
   を含む、方法。
2. 窒素含有ガスが窒素及び酸素を含む、請求項１に記載の方法。
3. 洗浄ガスが窒素及び酸素を含む、請求項２に記載の方法。
4. 洗浄ガスがフッ素を含む、請求項３に記載の方法。
5. 洗浄ガスが三フッ化窒素及び酸素を含む、請求項１に記載の方法。
6. 洗浄ガスが、窒素含有ガスと同時に堆積チャンバ中に流される、請求項１に記載の方法。
7. 窒素含有ガスが堆積チャンバ中に流された後に、洗浄ガスが堆積チャンバ中に流される、請求項１に記載の方法。
8. 堆積チャンバを洗浄する方法であって、
   堆積チャンバ内の処理領域中に窒素含有ガスを流すことと、
   高周波電力を利用して処理領域中のプラズマを衝突させることと、
   堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に洗浄ガスを導入することと、
   遠隔プラズマ源中の洗浄ガスの反応種を生成することと、
   堆積チャンバ中に洗浄ガスを導入することと、
   異なる温度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することと、
   を含む、方法。
9. 堆積チャンバの上部が、窒素含有ガスを使用して洗浄される、請求項８に記載の方法。
10. 堆積チャンバの下部が、洗浄ガスを使用して洗浄される、請求項９に記載の方法。
11. 窒素含有ガスが窒素及び酸素を含む、請求項８に記載の方法。
12. 洗浄ガスが窒素及び酸素を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 洗浄ガスがフッ素を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 洗浄ガスが、窒素含有ガスと同時に堆積チャンバ中に流される、請求項８に記載の方法。
15. 堆積チャンバを洗浄する方法であって、
    堆積チャンバ内の処理領域中に第１のガスを流すことと、
    高周波電力を利用して処理領域中の第１のガスのプラズマを衝突させることと、
    堆積チャンバに流体接続されている遠隔プラズマ源中に第２のガスを導入することと、
    遠隔プラズマ源中の第２のガスの反応種を生成することと、
    堆積チャンバ中に第２のガスを導入することと、
    異なる温度及びエッチング速度で堆積チャンバの内部表面上の堆積物を除去することと、
    を含む、方法。

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